面向鐵路減災選線的復雜艱險山區地質災害廣域高效識別

魏永幸 陳明浩 張廣澤 趙曉彥

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；2.西南交通大學， 成都 610031)

1 研究背景

設計是工程建設的源頭，而鐵路工程設計的重中之重在于選線，尤其是復雜艱險山區的鐵路建設，線位的確定在很大程度上決定了工程的形式及建設難度，不但關系到施工安全、施工效率及工程代價，更關系到安全運營和維修養護。正因如此，國內外山區的鐵路建設均強調選線工作的重要性并為之投入了大量的研究。

我國山區鐵路選線技術不斷發展，20世紀50年代至今經歷了“地形選線”、“地質選線”、“減災選線”三個發展階段[1]。但也只是本世紀以來，才在渝利[2]、成蘭、拉林鐵路中真正倡導“減災選線”，逐步引入風險管理理論、全壽命周期設計理論、系統工程理論[3]，開展基于風險源、風險事件以及風險損失的線路空間形位和路基、橋梁、隧道等構筑物布設[4]，取得了鐵路減災選線的長足進步。

開展減災選線的前提無疑是地質災害的識別，以上減災選線的相關理論均是在已知或假定地質災害分布及其危害性的基礎上進行的。目前國內外不少專家和學者已采用各種手段對地質災害的識別進行了研究，相關研究主要集中在某一具體線路方案的比選，某種識別手段的應用[5-6]，某類地質災害的識別等[7]，缺少針對鐵路工程地質災害識別理論與技術的系統研究。可見，在復雜艱險山區開展面向鐵路減災選線的地質災害廣域高效識別具有重要的理論和實際意義，尤其是對于川藏鐵路等復雜艱險山區的鐵路建設具有重要的現實意義。

2 廣域高效識別內容

復雜艱險山區主要位于我國西藏高原、云貴高原、川西山地高原、四川盆地、渝東山地及廣西盆地等，具有地形切割極為強烈、新構造運動極為活躍、巖性極為復雜、高地應力、高地震烈度、高山地災害風險、高巖溶(水)風險的環境特征，地質災害問題十分突出。

鐵路為線性工程，延伸里程多為數百甚至上千公里，而線路兩側數百米甚至數公里發生的地質災害也可能威脅鐵路的施工及運營，并且在前期階段，還存在經過不同經濟據點的多個線路走向的比選，可見，鐵路地質災害識別的范圍非常廣，其范圍可達數萬平方公里，具有“長距離、寬廊道、多廊道”的特點。同時，地質災害的識別在工程可行性研究和初步設計階段尤為重要，要在有限的時間內，實現數萬平方公里范圍地質災害的廣域識別，識別效率是其關鍵，因此，在復雜艱險山區開展地質災害的廣域高效識別是非常必要的。

基于鐵路減災選線的需要，以及地質災害識別需滿足廣域高效的要求，將其識別內容劃分為地質災害特征識別、地質災害機理識別、地質災害風險識別三個層次，如圖1所示。

圖1 地質災害識別“三層次”圖

(1)地質災害特征識別

研究各類地質災害在遙感圖像、物探、鉆探等識別手段上的地貌、光譜、溫度、形狀、電性等特征標志，判識地質災害的類型及分布特征，包括分布位置、分布面積、厚度、體積、大小等。

(2)地質災害機理識別

研究地質災害形成機理及演化過程，闡明各類地質災害的形成條件、形成原因、致災可能性、致災方式等，提出地質災害發生條件、致災模式及易發性。

(3)地質災害風險識別

探索地質災害工程地質模型及相關參數取值，研究地質災害的致災范圍及致災強度，評價鐵路工程修建過程中地質災害對隧道、橋梁、路基、站房等鐵路工程的危害程度、破壞程度等，劃分地質災害的風險等級。

3 地質災害分類

以往地質災害類型劃分多依據地質災害發生的模式或機理[8]，地質災害廣域高效識別更強調地質災害對鐵路工程的影響，由于外生和內生地質災害發生和致災的位置有明顯區別，機理也大有不同，對減災選線的影響方式及程度也不盡相同，其識別技術也有所區別。對鐵路工程具有主要或突出影響的地質災害，可以劃分為外生地質災害和內生地質災害兩類，其中外生地質災害主要有崩塌、滑坡、泥石流三種，內生地質災害主要有巖溶、高地溫、高地應力、高烈度地震及活動斷裂四種。

3.1 外生地質災害特征

(1)崩塌

崩塌常發生在高陡山麓斜坡或河谷陡岸地帶，尤其是新構造運動劇烈、深大張開卸荷裂隙較多的地段，是斜坡上的張、剪應力超過巖土體的軟弱結構面強度而崩落的結果。在地層巖性上，多發生在厚層、堅硬、性脆的灰巖、砂巖、花崗巖、玄武巖等構成的陡崖，以及砂巖與頁巖、灰巖與泥灰巖等軟硬巖互層構成的陡坡地帶；在地質構造上，多發生在斷層破碎帶、構造交匯處、褶曲軸部、節理密集帶及不整合接觸帶；水是引起崩塌最活躍的因素，絕大多數崩塌都發生在雨季或暴雨之后，雨水滲入節理裂隙，增加了巖土體重量，加大了靜水壓力，巖土體中軟弱結構面抗剪強度降低，或人類工程活動中邊坡開挖過高過陡，爆破、地震等因素影響，都會引起崩塌的發生。崩塌落石常突然發生，隱蔽性強、危害性大、性質復雜。

(2)滑坡

滑坡形成的內在因素，主要受地層條件和地質構造條件控制，多分布在各類黏性土、軟質巖層、夾軟弱夾層的硬質巖層內，當存在傾向斜坡，傾角較陡的斷層面、巖層層面、不整合面以及其他軟弱結構面時，易發生順層滑坡。滑坡形成的外在因素，主要為河流的沖刷、開挖斜坡坡腳、斜坡上部加載、地表水下滲、地下水軟化、地震作用、大爆破及機械震動等。它們改變了斜坡的外形和應力狀態，增大了下滑力或減小坡體內的抗滑力，從而引起滑坡。不穩定的滑坡對工程和建筑物危害性大，運營期間嚴重威脅行車安全，極易造成行車事故與旅客傷亡。

(3)泥石流

泥石流是由于降水在山區發生的一種挾帶大量泥砂、石塊等松散固體物質的特殊洪流，形成與地形、地質、水文、氣象、植被、地震、人類活動等因素有關，泥石流的發生與發展是流域內有豐富的松散物質的補給，有陡峻的地形和較大的溝床縱坡，有強大的徑流動力(如暴雨、水庫壩體潰決，急劇的融雪)等綜合作用的結果。具有較大的密度，速度快，慣性大，具有強大的動力。泥石流在運動過程中具有極大破壞作用，對鐵路工程存在嚴重威脅，往往攜帶巨大漂礫，具有大沖大淤的特點，在流通區具極強的沖擊危害，在堆積區通常發生淤埋作用。

3.2 內生地質災害特征

(1)巖溶

我國南方是碳酸鹽巖的主要分布區，尤以西南地區最為集中。巖石和水是巖溶發育的基本條件，區內氣候濕潤，降雨充沛，巖溶極為發育，各種巖溶形態齊全，主要有溶槽、落水洞、溶洞、暗河、漏斗、溶蝕洼地、巖溶盆地、峰林、峰叢等。巖溶及巖溶水對鐵路工程的影響和危害主要表現在以下方面：一是巖溶涌(突)水對地下工程造成危害；二是隱伏巖溶洞穴及其充填物對構筑物基礎穩定性的影響；三是巖溶地面塌陷威脅建筑物安全；四是巖溶洼地積水浸泡或淹沒路基、涵洞等地面工程；五是隧道施工疏干地下水，引起區域地下水環境破壞。

(2)高地溫

西南地區高烈度地震頻發、活動斷裂廣泛分布，導致高地溫尤其是水熱表現突出。水熱的表征形式主要為熱水爆炸、沸泉、溫泉等，與活動斷裂的分布密切關聯，大部分沿活動斷裂帶呈帶狀展布。溫泉分布呈現與斷裂構造以及地震有強烈的相關性，溫泉分布集中的區域往往也是斷裂活動強烈和地震發育所在。深埋長大隧道易遇高溫、高壓熱水(汽)及高溫巖體等熱害問題，嚴重影響施工建設安全及工期，亦對運營安全、耐溫及防腐蝕性材料提出了更高的要求。

(3)高地應力

西南山區構造環境復雜，具有深大活動斷裂發育、地震活動頻發、新構造運動強烈等構造特征，其地應力場尤其是構造應力場復雜多變。高地應力對復雜山區長大深埋隧道工程的危害，主要表現在兩個方面：一是軟巖大變形，即地下洞室圍巖在高地應力作用下發生顯著的塑性變形和位移的現象。二是硬巖巖爆，即高地應力區圍巖中聚積的彈性變形能在開挖過程中的突然釋放，使巖石出現爆裂彈射等現象；圍巖強度應力比不同，巖爆與變形的程度也不同。

(4)高烈度地震及活動斷裂

西南地區位于青藏高原地震區，頻發高烈度地震，據地震資料記載，共發生7～7.9級地震21次、≥8級地震7次(最大震級為西藏察隅地震8.5級)，近年發生的重大地震包括1973年四川爐霍7.6級地震、2008年四川汶川8級地震、2010年青海玉樹7.1級地震、2013年四川蘆山7.0級地震、2014年云南昭通6.5級地震、2014年新疆于田7.3級地震、2016年康定6.3級地震等，對人民的生命財產造成了巨大的損失，也對西南地區高速鐵路建設形成了巨大的挑戰。地震發生后可產生地面開裂、地面錯動及誘發山崩、滑坡、泥石流、堰塞湖等次生重力不良地質災害，導致房屋倒塌、橋梁斷落、水壩開裂、鐵軌變形等。

西南山區新構造運動強烈，活動斷裂廣泛分布，活動斷裂(帶)共包括19條，著名的活動斷裂帶包括龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶、小江斷裂帶、玉樹斷裂帶等。活動斷層(裂)有兩種基本活動方式：一種是以地震方式產生間歇性的突然滑動，稱為地震斷層或粘滑型斷層；另一種是沿斷層面兩側巖層連續緩慢地滑動，稱為蠕變斷層或蠕滑型斷層。活動斷層的活動往往伴生或引起地震、地面錯動，并對地面建(構)筑物和人民的生命安全造成嚴重的影響，對高速鐵路選址和建設形成巨大的挑戰。

4 廣域高效識別技術

地質災害的廣域高效識別技術，總體上可以劃分為“天域”、“空域”、“地域”三個維度，即地質災害廣域高效識別技術由“天域”衛星平臺、“空域”航空平臺、“地域”地面平臺“三維度”一系列技術構成，其中各類識別技術又包括新型識別技術和常規識別技術。“天域”、“空域”、“地域”可簡稱為“天”“空”“地”。

(1)“天域”衛星平臺技術

“天域”衛星平臺識別技術包括新型識別技術和常規識別技術，常規識別技術主要為衛星遙感解譯技術(低分辨率)，而高分衛星遙感解譯技術、高分衛星InSAR形變監測技術、衛星熱紅外遙感地熱異常識別技術及多光譜、高光譜衛星巖性識別技術等新型識別技術，則是在工程實踐中對常規識別技術的創新成果。各種“天”類技術特點及適用范圍如表1所示。

表1 “天”類技術特點與適用范圍表

(2)“空域”航空平臺技術

“空域”航空平臺識別技術包括新型識別技術和常規識別技術，常規識別技術主要包括各類航空遙感解譯技術(低分辨率)，而無人機(機載LiDAR)識別技術等新型識別技術，則是在工程實踐中對常規識別技術的創新成果。各種“空”類技術特點及適用范圍如表2所示。

表2 “空”類技術特點與適用范圍表

(3)“地域”地面平臺技術

“地域”地面平臺識別技術包括新型識別技術和常規識別技術，常規識別技術主要包括常規地面地質調繪、物探、鉆探、觀測與測試、超前地質預報等，而地面三維激光掃描技術、等值反磁通瞬變電磁法技術、微動探測技術以及輕便型動力頭式全液壓鉆探技術等新型識別技術，則是在工程實踐中對常規識別技術的創新成果。

5 廣域高效識別程式

廣域高效識別需面向鐵路減災選線工作來開展，從識別的程式上，與鐵路勘察工作的踏勘、初測、定測(含補定測)[9]相對應的分為區域宏觀識別、沿線系統識別、區段詳細識別“三階段”進行[10]，識別深度應滿足各階段的設計要求。

(1)區域宏觀識別

以“天”類識別技術為主，宏觀識別影響線路方案的區域工程地質條件及地質災害的類型及分布特征，初步提出線路方案的比選意見。

(2)沿線系統識別

以“天”“空”類識別技術為主，系統識別地質災害對線路方案的致災可能性、致災方式等，劃分地質災害易發性分區，提出規避重大地質災害的減災選線意見。

(3)區段詳細識別

以“空”“地”類識別技術為主，詳細識別各類地質災害對隧道、橋梁、路基、站房等鐵路工程的危害程度、破壞程度等，劃分地質災害的風險等級，提出減災選線風險調控措施。

6 地質災害識別技術體系

地質災害廣域高效識別研究，就是針對外生地質災害和內生地質災害，根據不同的識別階段和災害類別，結合各種識別技術方法的適用條件，在地質調繪的統籌下，充分發揮各種識別方法的優勢，以最佳的組合模式，選用多種識別方法密切配合，取長補短，進行相互驗證和綜合分析，達到提高地質災害識別質量，縮短地質災害識別周期和降低地質災害識別成本的目的。要體現從面到點，從宏觀到微觀，從定性到定量的過渡，促進復雜艱險山區地質災害廣域高效識別技術整體水平的提高，復雜艱險山區地質災害廣域高效識別技術體系如圖2所示。

圖2 復雜艱險山區地質災害廣域高效識別技術體系圖

各類識別技術的組合原則：實施過程中原則上應遵循“先天、后空、再地”的順序，選取相應技術，開展協同識別，并相互驗證綜合分析。

7 總結與展望

地質災害廣域高效識別是面向鐵路減災選線的復雜艱險山區地質災害識別的一次提升。地質災害廣域高效識別在繼承傳統地質災害勘察理論、方法、技術的基礎上，將影響鐵路減災選線的地質災害劃分為外生、內生“兩類”“七種”，提出了“三階段”、“三維度”、“三層次”的地質災害識別方法和技術，建立了復雜艱險山區地質災害廣域高效識別技術體系。

(1)地質災害廣域高效識別程式分為區域宏觀識別、沿線系統識別、區段詳細識別“三階段”。與鐵路勘察工作的踏勘、初測、定測及補定測相對應，識別深度應滿足各階段的設計要求。

(2)地質災害廣域高效識別內容分為地質災害特征識別、地質災害演化機理識別、地質災害風險識別“三層次”。分別對地質災害的類型、分布特征、形成條件、形成原因、致災可能性、致災方式、危害程度、破壞程度及風險等級進行識別。

(3)地質災害廣域高效識別技術分為“天域”衛星平臺、“空域”航空平臺、“地域”地面平臺“三維度”。各類識別技術又包括新型識別技術和常規識別技術，遵循“先天、后空、再地”的順序，充分發揮各種識別方法的優勢，合理選用多種識別方法進行綜合識別。

根據各類識別技術，結合災害類別和識別程式，建立的復雜艱險山區地質災害廣域高效識別技術體系，顯著提高了山區鐵路地質災害識別的效率和質量，提升了減災選線規避和防范工程建設和運營風險的水平，促進了我國復雜艱險山區鐵路勘察設計技術進步，在新時代“西部大開發”、“交通強國”戰略、“一帶一路”建設中具有廣闊的應用前景。